一文帶你認識光學濾光片所有知識

光學濾光片是一種用來選取所需輻射波段的光學器件，濾除不需要范圍波長的光。從而達到對光的濾波處理。

一、工作原理

濾光片的工作原理主要基于光的吸收、干涉和衍射等光學現(xiàn)象。

（圖源網(wǎng)絡，侵刪）

吸收型濾光片：利用特定材料對光的吸收特性來實現(xiàn)濾波。光線穿過濾光片時，其內部材料會吸收某些波長的光，而允許其他波長的光通過。通過選擇性吸收達到濾除其他不需要的光，只允許特定波長的光通過。

干涉型濾光片：則是利用多層薄膜的光學干涉效應，使特定波長的光在薄膜內發(fā)生多次反射和折射，從而實現(xiàn)對光的選擇性濾波。當光線經(jīng)過時，不同波長的光在薄膜之間發(fā)生多次反射和折射，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。通過精確控制薄膜的厚度和折射率，可以使得特定波長的光在干涉過程中相互增強，而其他波長的光相互抵消，從而實現(xiàn)特定波段的濾波。這種原理使得干涉型濾光片具有高透射率、高阻斷度和寬波長范圍的特點。

衍射型濾光片：利用光的衍射原理來工作。通過在濾光片表面刻劃特定的圖案或結構，使得光在通過時發(fā)生衍射，實現(xiàn)對特定波長的選擇。這種濾光片通常具有極高的波長分辨率和靈活性，能夠實現(xiàn)對光的精確控制。

二、濾光片分類

根據(jù)光譜波段分為，紫外濾光片、可見濾光片和紅外濾光片。

（圖源網(wǎng)絡，侵刪）

按光譜特性分為帶通濾光片、截止濾光片、陷波濾光片、

帶通濾光片又細分為窄帶帶通濾光片與寬帶帶通濾光片。

截止濾光片又分為長波截止短波通濾光片和短波截止長波通濾光片。

按功能特性分為：吸收濾光片、反射濾光片、分光濾光片、中性密度濾光片、偏振濾光片等。

按膜層材料分為軟膜濾光片和硬膜濾光片。

1.光譜特性分類

紫外濾光片是一種特殊的光學元件，紫外濾光片常用于過濾掉紫外的某個范圍波長，也可用于提取某個波段范圍內的波長，它的主要工作原理是依賴于濾光片材料對紫外線的吸收特性。當光線通過紫外濾光片時，特定波長的紫外線會被吸收，而其他波長的光則得以透過。

（紫外濾光片）

可見光濾光片的應用范圍非常廣泛，常見的帶通濾光片在其應用非常廣泛，其原因是基于濾光片膜層的特殊性，用于限制紫外光和紅外光，同時通過篩選可見光的特定范圍，如，用于截止紅外光的紅外截止片，可用于監(jiān)控；如用于提取某個色光波段的舞臺燈光、液晶顯示器等，用于攝影的濾色片，用于醫(yī)療檢測的生物熒光分析等應用，還可用于眼睛保護，用于阻擋有害藍光的眼鏡，其工作原理主要基于光的吸收、干涉和反射。當光線通過濾光片時，其中一部分光線會被吸收或反射，而另一部分光線則會透過濾光片，從而改變可見光的波長和顏色。

（可見光窄帶濾光片）

紅外濾光片是一種能夠只透過紅外光，而阻擋可見光和紫外光的光學器件，主要用于篩選出特定波長范圍的紅外光線的光學器件，利用光線的反射和吸收作用，實現(xiàn)特定波長范圍的紅外光的透過和篩選，通常由特殊的材料制成，一般常見應用為紅外長波通和紅外帶通濾光片，常見的基材包括硅、鍺、氟化鎂、氟化鈣、藍寶石等。這些材料被設計成具有特定的光譜特性，使其對紅外光波具有高透射性，對其他波長尤其是可見光波長的光具有高反射性或吸收性。

（激埃特1150nm紅外帶通濾光片）

 (圖源網(wǎng)絡，侵刪)

2.光譜特性分類

帶通濾光片主要基于法布里-珀羅腔的相長干涉條件，這使得中心波長和中心波長兩側小范圍內的光能夠有效地透射，而通帶外的光則會被阻止透射。中心波長兩側的截止帶寬可能相對較小。為了增加濾波器的截止帶寬，有時會在墊片或基板上鍍一層寬帶截止材料，但這可能會降低濾光片通帶的透過率。

帶通濾光片屬于鍍膜濾光片的一種，特性較多，一般按光譜圖特性，分單帶通、多帶通，與帶通濾光片相反光譜特性的濾光片便是陷波濾光片，也叫負性濾光片。帶通濾光片按通帶帶寬一般為窄帶濾光片與寬帶濾光片。

（圖源網(wǎng)絡，侵刪）

單帶通濾光片與多帶通濾光片的最明顯的區(qū)別便是帶通數(shù)量的區(qū)別，多帶通濾光片具有高峰值透射率和較深的截止，從而有效地抑制了光暈和溫漂，可以在任何應用中產(chǎn)生最大亮度和對比度，一般有雙帶通、三帶通、四帶通、五帶通等。

陷波濾光片（也叫負性濾光片）與帶通濾光光譜相反，主要功能便是透射大部分波長，只針對特定波長范圍內（我們也叫阻帶）的光衰減到很低水平。

寬帶濾光片屬于帶通濾光片的一個細分，具有相對較寬的透過頻率范圍。其設計目的是選擇更寬范圍的光波，允許較大范圍內的頻率通過，同時阻擋超出該范圍的光波。寬帶濾光片通常具有較高的透過率，但相對較低的阻擋能力，這是因為其目標是傳遞更廣泛的頻率范圍而不是選擇特定的頻率。

窄帶濾光片作為從帶通濾光片細分出來的一個種類，其定義與帶通濾光片相同，都是僅允許特定波段的光通過，而偏離該波段以外的光信號會被阻止，窄帶濾光片具備較窄的通帶，一般在中心波長值5%以下。窄帶相比于寬帶擁有較低的半帶寬，一般半帶寬在30nm左右及以下。

截止濾光片，指能從復合光中濾掉全部長波或短波而僅保留所需波段范圍的濾光片，一般分為短波截止濾光片（長波通濾光片）和長波截止濾光片（短波通濾光片）兩種。其原理主要基于光學膜的干涉效應以及特定波長的光波在濾光片上的透射和反射特性。截止濾光片通常包含多層膜設計，這些膜層具有特定的折射系數(shù)和厚度，當光線通過濾光片時，由于不同波長的光在濾光片各層間的干涉作用，某些波長的光會被反射，而另一些波長的光則會透射過去，這使得在特定波長下，光線的傳輸可以被最大程度地減少或完全消除。

短波通濾光片（長波截止片），簡單說就是短波通過，長波截止。由多層光學薄膜構成的，這些薄膜具有不同的折射率和厚度，主要用于傳輸較短波長的光并阻止較長波長的光通過，其原理是基于光波與濾光片膜層之間的相互作用，特別是利用光學薄膜的干涉效應來實現(xiàn)對光波波長的選擇性透過，當光線通過濾光片時，不同波長的光波在膜層之間發(fā)生干涉。

長波通濾光片定義與短波相反，根據(jù)指定的波長，長波通過，短波被截止。長波通濾光片采用特殊工藝加工而成，內部由多層光學薄膜組成，每層薄膜的折射率和厚度都經(jīng)過精密計算和設計，具有高透射率、低損耗和良好的光譜透過性。其工作原理和設計目的主要是允許長波長的光波通過，同時阻止短波長的光波通過，當光線入射到濾光片上時，這些薄膜會對不同波長的光波進行干涉、反射和透射。

3.功能特性分類 

吸收濾光片，一般指的是含有某種有色金屬氧化物的有色玻璃，對某些波長范圍的光具有強烈的吸收能力，透過光則呈單色性。常見的如紅色有色玻璃濾光片。

反射濾光片是通過反射作用來調控光線的透過和衰減，主要依賴于光學薄膜的干涉效應來實現(xiàn)對特定波長光線的反射，因此無需考慮材料對光的吸收。其原理主要基于光的干涉和薄膜反射特性，由多層光學薄膜組成的濾光片，每層薄膜都具有特定的折射率和厚度。當光線入射到反射濾光片上時，這些薄膜層會對光線進行多次反射和透射，由于干涉效應，某些波長的光線會被加強反射，而其他波長的光線則可能透射或衰減。

中性密度濾光片也稱衰減片，中性密度鏡（ND鏡）、中性密度衰減片、固定中性密度片，利用物質對光的吸收特性，制成片狀，放在光路上，可以將光強衰減，這種片狀元件叫光學衰減片。原理主要基于物質對光的吸收或反射特性，中性密度濾光片主要分為吸收型和反射型。吸收型濾光片利用物質對光的吸收特性來衰減光強，而反射型濾光片則基于薄膜干涉原理，通過在光學基板上鍍膜，使一部分光透射，另一部分反射。

分光濾光片是一種特殊的光學器件，它主要用于將光分成不同的波長或顏色成分。它的工作原理主要基于光的干涉、衍射或薄膜效應，通過改變光的傳播路徑或強度來實現(xiàn)特定波長的分離或衰減。在我們經(jīng)?？吹椒止馄?，二向分光片便是最常見的分光片，它廣泛應用于多個領域，如光學儀器、激光儀器、顯微鏡分析、拉曼分析等；

偏振濾光片：用以改變照片中的光的平衡，通常放置在相機鏡頭的前面，以使天空變暗或抑制來自湖泊或大海的眩光。根據(jù)優(yōu)選的藝術效果調整過濾器的旋轉方向。對于現(xiàn)代相機，通常使用圓偏振片，它首先由一個線性偏振片，接著是一個四分之一波片，在進入相機之前，將線性偏振光轉換成圓偏振光。

4.膜層材料分類

鍍膜濾光片根據(jù)膜層材料一般分為軟膜濾光片和硬膜濾光片。 

軟膜濾光片通常由多層薄膜組成，這些薄膜可能由硫化鋅、冷凍劑、甚至是銀等材料制成。它的原理主要基于光波在濾光片膜層傳輸過程中產(chǎn)生的各種特性變化，如透射、吸收、散射、反射、偏振、相位變化等。當光線通過軟膜濾光片時，不同波長的光波會在膜層中發(fā)生干涉、衍射等效應，從而導致特定波長的光波被反射、吸收或透射。因此，軟膜濾光片一般用于生化分析儀等特定設備。

（激光雷達BP1550nm帶通紅外濾光片）

硬膜濾光片的膜層通常由多層特殊材料組成，采用的是離子束濺射工藝，使得膜層更致密，無需保護層，結構更簡單，界面少，減少反射和散射，從而提高了透過率。硬膜濾光片的特點在于沒有因粘合劑引起的光損傷、性能降低和自發(fā)熒光的問題，其膜層具有較高的硬度和激光損傷閾值，因此能夠承受高強度的激光照射而不易受到損害。

關于濾光片的分類其實還有很多，由于不同的基材原因，濾光片其實還能夠根據(jù)不同的基材條件進行劃分，如塑料濾光片、玻璃濾光片、單晶濾光片（如硅、鍺）等。

濾光片的一些關鍵指標

通帶：光能夠通過的所在波長區(qū)域范圍就叫做通帶。

帶寬（FWHM）： 也叫半峰全寬，英文全稱full width at half maxima，簡稱半寬度，半峰寬，半峰寬度，一般指帶通濾光片，它表示峰值透過率一半位置光譜所在波段之間的差值。看圖中，λL與λR之間的距離就是。帶寬一般也可以分辯出寬帶與窄帶，窄帶帶寬一般較低，在30nm左右或以下，且窄帶的通帶相對較窄，一般為中心波長值的5%以下。

中心波長（CWL）：常用于帶通濾光片，它是指峰值透射率一半的波長之間的中點，也被稱為半峰全寬（FWHM）的中點，有時也會用于表示帶通濾光片的峰值透射率或陷波濾光片的峰值反射率。通常用來描述一束光的中心頻率或波長。我們常說的型號BP-680nm帶通，其中680nm就是參考的中心波長。

透過率（T），透過率一般表示光進入濾光片后出現(xiàn)的損耗，為鏡片射出光與射入光的比值，當透過率到10%或以下就表現(xiàn)為截止，我們常用OD值表示，OD=-log（T），根據(jù)OD1~OD6，截止帶透過率從0.1~0.000001。

OD編號 截止帶透過率

OD1=0.1 即10%

OD2=0.01 即1%

OD3=0.001 即0.1%

OD4=0.0001 即0.01%

OD5=0.00001 即0.001%

OD6=0.000001 即0.0001%

截止波段，一般表示濾光片截止光波段的范圍（通帶之外的波長范圍），用于表示通過濾光片損耗的能量光譜區(qū)域的波長間隔，指除了通帶以外，要求截止的波長范圍。對于窄帶濾光片而言，只需要指明最短波長與最長波長，就可以知道該濾光片的截止范圍。

起始波長：起始波長是指在長波通濾光片中透射率增加至峰值的1/2時所對應的波長，在帶通濾光片中有時也可定義為5％或10％的峰值透過率所對應的波長。截止波長：截止波長是用指在短波通濾光片中透射率降低至峰值的1/2時所對應的波長，在帶通濾光片中有時也可定義為5％或10％的峰值透過率所對應的波長。

濾光片的表面規(guī)格和尺寸參數(shù)

表面質量濾光片的表面質量，主要其表面會不可避免地有一些劃痕和坑點等缺陷，表面質量最常用的規(guī)格是由MIL-PRF-13830B說明的劃痕和坑點規(guī)格，坑點名稱是通過以微米計的坑點直徑除以10來計算的，通常劃痕坑點規(guī)格在80至50范圍內將稱之為標準質量；在60至40范圍內視為精確質量；而在20至10范圍內將視為高精度質量。

表面平滑度表面平面度是測量表面精度的一種，它用于測量反射鏡、窗口片、棱鏡或平光鏡等平面的偏差，平滑度的偏差通常是按波紋值（λ）來測量的，它們是由多個波長的測試源組成，一個條紋對應1/2的波長，平滑度為1λ，則代表一般的質量級別；平滑度為λ/4，則代表精確的質量級別；平滑度為λ/20，則代表高精度的質量級別。公差（Tolerance）：濾光片的公差，主要是在中心波長與半寬帶上，因此濾光片產(chǎn)品公差范圍的標明。

直徑公差一般情況下，濾光片直徑的公差影響在使用過程中的影響不是很大，但是要將光學器件安裝在固定器上的話，就要考慮直徑公差了。通常情況下，直徑的公差在（±0.1 mm）稱為一般質量，（±0.05 mm）稱為精密質量，（±0.01 mm）稱為高質量。

中心厚度公差中心厚度是表示濾光片中心部分的厚度。通常情況下，中心厚度的公差在（±0.2mm）稱為一般質量，（±0.05mm）稱為精密質量，（±0.01mm）稱為高質量。